無刷有感電機(jī)測速、速度閉環(huán)控制

0.前言

隨著ROS移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，小伙伴們已經(jīng)不在滿足于低功率的差速小車了，希望可以搭建功率更高的ROS移動機(jī)器人平臺。常見的高功率的移動機(jī)器人多是采用無刷輪轂電機(jī)，于是就出現(xiàn)了本篇文章，給大家提供一個(gè)輪轂電機(jī)的測速以及控制的思路。

1.直流無刷有感電機(jī)介紹

無刷直流 （Brushless Direct Current， BLDC）電機(jī)是一種正快速普及的電機(jī)類型，在移動機(jī)器人領(lǐng)域也有諸多應(yīng)用，這里我們將對無刷直流電機(jī)的常見問題進(jìn)行描述。

（1）工作原理

首先，我們來看一下無刷電機(jī)的工作原理，下圖為三電極、二磁極、內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)演示。

無刷電機(jī)不是傳統(tǒng)的直流電機(jī)，模型雖然是直流電池供電，但通過無刷電調(diào)之后就轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳嘟蛔?a href="http://www.asorrir.com/tags/電流/" target="_blank">電流傳輸?shù)搅巳齻€(gè)極性上。通過上圖可以看出，無刷電機(jī)是沒有碳刷的，和有刷相反，無刷電機(jī)的磁鐵成了轉(zhuǎn)子。

（2）內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子

上面無刷電機(jī)工作原理圖所示的是內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，顧名思義，磁鐵在里邊。而外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)則相反，它的磁鐵“包”在外面。而A、B、C電極在里邊。這樣的設(shè)計(jì)可以讓電機(jī)的扭力更大，但轉(zhuǎn)速卻上不來。因?yàn)檫@個(gè)原因，一般四旋翼無人機(jī)上常見外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)（需要扭矩大），而模型車和模型船一般都使用內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)（需要轉(zhuǎn)速高）。

（3）有感無刷和無感無刷

要說明這個(gè)問題首先要弄懂感是啥，有感無刷中的感是指“霍爾傳感器”，那么什么是“霍爾”呢？霍爾是指的霍爾效應(yīng)，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個(gè)端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢差也被叫做霍爾電勢差。

那么我們?yōu)槭裁匆袘?yīng)這玩意？要說清這個(gè)問題就必須從無感無刷的一個(gè)缺點(diǎn)說起。無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速是靠交流電頻率決定的，那么電調(diào)要想方設(shè)法弄明白目前電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及當(dāng)前電機(jī)的狀態(tài)。其實(shí)這對已經(jīng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)來說很容易，但對于一個(gè)剛剛起步或者運(yùn)行速度很慢的電機(jī)來說就顯得比較麻煩了(很難較準(zhǔn)確的測出電機(jī)轉(zhuǎn)速的狀態(tài))，所以無感無刷電機(jī)會在低速時(shí)線性不好甚至可能會顫抖，而起步的扭力也難以強(qiáng)過同等級有刷電機(jī)。

但是人們發(fā)現(xiàn)無論什么運(yùn)行狀態(tài)的無刷電機(jī)，它的霍爾效應(yīng)都是明顯的，所以通過霍爾效應(yīng)電調(diào)可以很容易的知道無論高速還是低速電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而解決了無感無刷電機(jī)的毛病！

（4）直流有感無刷電機(jī)驅(qū)動電路

驅(qū)動電路原理

一般有感直流無刷電機(jī)的驅(qū)動電路是由6個(gè)MOS管組成的橋式電路。

編程控制無刷直流電機(jī)運(yùn)行，其最底層的工作就是控制著6個(gè)MOS管的兩個(gè)狀態(tài)：導(dǎo)通和關(guān)斷。

根據(jù)相關(guān)的控制理論，我們可以清晰的得知：

（1）每次只能打開兩個(gè)MOS管。保持任意兩個(gè)電極上有電。

（2）驅(qū)動電路上面一排和下面一排的MOS管不會出現(xiàn)兩個(gè)同時(shí)打開。只打開一行就只送了一個(gè)電極的電。

（3）同一列的MOS管也不會同時(shí)打開，同時(shí)打開會出現(xiàn)電源短路。

所以6個(gè)MOS管的開關(guān)狀態(tài)只有六種，常見的無刷電機(jī)驅(qū)動器的電路原型就是這樣，也就是六步換向法的由來。

無刷電機(jī)調(diào)速原理

如果我們對下面一排MOS管按驅(qū)動原理進(jìn)行一次性的完全打開與關(guān)閉，上面一排MOS管按驅(qū)動原理通過單片機(jī)的PWM進(jìn)行非完全一次性打開與關(guān)斷的，也就是MOS不完全打開，MOS的G極達(dá)不到最大電壓值，這樣我們就實(shí)現(xiàn)調(diào)速了。

表示無刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)

通過三個(gè)霍爾傳感器的六種狀態(tài)表示無刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)過程。一般無刷有感電機(jī)都安裝3個(gè)霍爾傳感器，關(guān)于霍爾傳感器在無刷電機(jī)中有以下特點(diǎn)：

（1）霍爾信號不會出現(xiàn)全零（000）和全一（111）兩種狀態(tài)。所以，三個(gè)霍爾僅存6中狀態(tài)。

（2）霍爾的6種狀態(tài)是順序變化的，往復(fù)循環(huán)。通過先后順序即可判斷電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

所以我們是不是可以理解為，任意三個(gè)霍爾的組合狀態(tài)之后的狀態(tài)只有兩種，一個(gè)表示正轉(zhuǎn)，一個(gè)表示反轉(zhuǎn)。

（5）霍爾安裝角度

常用的霍耳傳感器安裝方式有120 ° 安裝和60° 安裝2 種，2 種方法都可以輸出6 個(gè)不同的霍耳信號，分別對應(yīng)6 個(gè)不同的區(qū)域，當(dāng)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某一區(qū)域時(shí)，對應(yīng)的繞組通電，電機(jī)就可以正常工作，若霍耳信號與繞組關(guān)系錯(cuò)誤，就無法正常工作，甚至?xí)﹄姍C(jī)或功率器件造成損壞。因此，確定霍耳信號與定子繞組關(guān)系對于無刷直流電機(jī)而言非常重要。

霍耳傳感器常用來檢測無刷直流電機(jī)換相點(diǎn)。三相無刷直流電機(jī)需要3 個(gè)霍耳傳感器來檢測6 個(gè)不同的位置，霍耳傳感器的安裝有120° 安裝和60° 安裝2 種方式，120° 安裝指3 個(gè)霍耳傳感器互差120° （電角度），而60°安裝指3 個(gè)霍耳傳感器互差60° （電角度）。2 種安裝方式最大的區(qū)別在于采用60 ° 安裝時(shí)可以輸出“000”和“111”信號，而120° 安裝則不會輸出這2 個(gè)信號，通過這一點(diǎn)可以判斷霍耳傳感器的安裝方式。

霍爾的安裝角度，對驅(qū)動器的選擇有很大的影響，通常賣家都會問無刷電機(jī)的霍爾安裝角度。

2.STM32無刷電機(jī)輪速測量

（1）測速方法:

單片機(jī)轉(zhuǎn)速測量的算法很多，主要有頻率測速法（M法）、周期測速法（T法）等。

M 測速法：通過在相同的時(shí)間T間隔內(nèi)計(jì)算傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)來算出轉(zhuǎn)速；

設(shè)R為每轉(zhuǎn)的脈沖信號數(shù)，T為間隔時(shí)間，M為T時(shí)間內(nèi)測得的脈沖數(shù)。可見這種測速法的分辨率取決于電機(jī)轉(zhuǎn)一周的輸出R和測速周期T，極對數(shù)越多或測量周期越長，則分辨率越小，但一般電機(jī)的R不大，且測量周期不宜過大，因?yàn)闇y量周期過大為影響測速的反應(yīng)速度，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。所以這種方法是不可取的。

T法測速：通過測量傳感器發(fā)出的相鄰兩個(gè)脈沖之間的T來算出轉(zhuǎn)速；因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)脈沖對應(yīng)輪子上的物理距離N是確定的。

用一個(gè)計(jì)數(shù)器對三個(gè)霍爾的脈沖信號進(jìn)行采集；從一個(gè)脈沖觸發(fā)開始計(jì)時(shí)，到下一個(gè)脈沖觸發(fā)新的計(jì)時(shí)，測得每兩個(gè)脈沖間的時(shí)間T；

所以，T法測速的電機(jī)速度speed=N/T;

注意，關(guān)于N的獲得有兩種方法，一、根據(jù)電機(jī)參數(shù)即可獲得，用輪子周長除以輪子轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)，二、可以測量10圈輪子累積脈沖，求平均值。

（2）測速的技術(shù)要求：

（1）盡量精細(xì)化速度分辨率。所以采用T法測速

（2）計(jì)算出輪子的實(shí)際線速度m/s，而不是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以要明確兩個(gè)脈沖對應(yīng)輪子轉(zhuǎn)動的物理距離。

（3）用速度的正負(fù)值明確分辨輪子正反轉(zhuǎn)。所以要根據(jù)判斷前后霍爾組合狀態(tài)來判斷電機(jī)所謂的正反。

（3）實(shí)現(xiàn)方式：

首先，通過單片機(jī)的外部觸發(fā)中斷，獲得同一觸發(fā)時(shí)刻的三個(gè)霍爾信號狀態(tài)并通過二進(jìn)制組合成狀態(tài)數(shù)字；根據(jù)下一次的狀態(tài)數(shù)字，進(jìn)行速度正反的區(qū)分。

其次，通過單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器，測算每兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間。即一個(gè)上升沿到一個(gè)下降沿的時(shí)間，或者一個(gè)下降沿到上升沿的時(shí)間，或者一個(gè)下降沿到一個(gè)下降沿的時(shí)間等等。

最后，進(jìn)行速度計(jì)算，符號改變即可。

注意，這里說的每兩個(gè)脈沖不是一個(gè)霍爾的每兩個(gè)脈沖而是三個(gè)霍爾中的每兩個(gè)脈沖，這個(gè)脈沖既包括上升沿又包括下降沿。

（4）使用設(shè)備以及軟件：

STM32F103單片機(jī) + 120度霍爾的無刷有感電機(jī) + keil5。

（5）具體代碼實(shí)現(xiàn)：

下面以一個(gè)電機(jī)為例，具體的源碼工程文件。

外部中斷配置代碼：

?

定時(shí)器配置代碼：

左輪三相霍爾處理函數(shù)：

?

左輪三相霍爾中斷服務(wù)函數(shù)：

定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)：

主函數(shù)：

3.STM32無刷電機(jī)速度PID閉環(huán)控制

關(guān)于無刷電機(jī)的速度閉環(huán)控制和有刷直流除了速度測量之外沒有區(qū)別。